Роторная машина объёмного действия с винтовыми коническими роторами Российский патент 2023 года по МПК F01C1/16 F03C2/08 F04C2/16 F04C18/16 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве винтовых роторных компрессоров, насосов, паровых турбин, пневмо- и гидромоторов. Предлагаемое изобретение может с успехом заменить паровые турбины, применяемые в частности для утилизации пара на установках ТЭЦ.

Известен винтовой компрессор с коническими роторами по патенту RU 2463482, который может работать также и в режиме двигателя и относится к роторным винтовым машинам. Он содержит два винтовых ротора, оси которых пересекаются в одной точке. Роторы помещены в расточках корпуса, причем эти расточки и внешняя поверхность зубьев винтов выполнены в форме конусов. Это изобретение направлено на то, чтобы обеспечить минимальный зазор между винтами и корпусом без заклинивания между винтами и корпусом. Для этого между стенками корпуса и винтами установлен дополнительный конический корпус, снабженный устройством перемещения вдоль оси. Перемещением этого корпуса минимизируют зазоры между винтами и корпусом. Однако при этом остаются зазоры в зацеплении винтов друг с другом, т.е. не обеспечивается герметичность между парными полостями в осевом направлении.

Известен роторный газовый двигатель или компрессор с коническими роторами по патенту США 3116871, который представляет собой, по сути, роторную машину объёмного действия. Он также содержит два конических винтовых ротора с пересекающимися осями. Роторы расположены в конических расточках корпуса. Данное изобретение направлено на то, чтобы уменьшить зазоры межу витками соседних роторов. Для этого используется специальные профили зубьев витков. На одном роторе это выпуклый профиль, соответствующий сферической циклоиде, а на другом - вогнутый профиль, соответствующий сферической трохоиде (см. фиг. 5 указанного патента). Недостатком этого устройства является сложный профиль витков, требующий к тому же высокой точности изготовления. Кроме того, здесь не предусмотрена компенсация зазоров между роторами и корпусом. Роторы с такими профилями не передают вращение, так как при появлении силового контакта между винтами происходит их быстрый износ из-за малых радиусов кривизны в точках контактов винтов. Поэтому для работы устройства требуется наличие шестерен синхронизации.

Известен компрессор-экспандер с коническими роторами по патенту RU 2372524, представляющий собой роторную машину объемного действия. Он также содержит два конических винтовых ротора, оси которых пересекаются. Роторы расположены в конических расточках корпуса. Данное изобретение направлено на то, чтобы уменьшить зазоры межу витками соседних роторов, а также протечки в местах контакта витков роторов с корпусом. Для этого используется специальный профиль зубьев. Зубья одного ротора состоят из одной головки выпуклой формы в форме конической эвольвенты, а зубья другого ротора, состоят в основном из ножки зуба вогнутой формы в форме дуги эллипса (см. фиг. 2, 3 указанного патента). Кроме того предусмотрено повышение сопротивления протечкам рабочей среды, для чего отдельные участки поверхностей зубьев роторов имеют канавки в форме углублений, ориентированных протяженной частью вдоль соответствующих участков линий контакта зубьев роторов друг с другом и с корпусом. Этим создается лабиринтное уплотнение между витками роторов и между витками роторов и корпусом. Основным недостатком данной конструкции, выбранной за прототип, является сложность нарезания профилей такой формы, а также выполнения на этих профилях лабиринтных канавок. Профиль зуба ротора, состоящий в основном из ножки, имеет значительно меньшую прочность, чем выпуклый профиль другого ротора, что сильно снижает надежность и долговечность устройства в целом. Устройство, как и предыдущее, требует наличия шестерен синхронизации.

Техническим результатом изобретения является создание винтовой роторной машины, обладающей минимальными протечками, как между роторами, так и между роторами и корпусом без применения специальных профилей винтовых зубьев, которые в прототипе не только технологически сложны в изготовлении, но и обладают пониженной прочностью.

Для достижения указанного результата, роторная машина объемного действия, как и прототип, содержит два конических винтовых ротора с пересекающимися осями. Роторы расположены в конических расточках корпуса, оси которых совпадают с осями роторов.

В отличие от прототипа каждый ротор по длине разделен на секции. Все секции каждого ротора связаны между собой общим валом. Секции разделены неподвижными перегородками, герметично посаженными в корпусе. Перегородки с торцами секций образуют минимальный зазор, гарантирующий свободное вращение секций роторов. Корпус выполнен из двух половин, которые соединяются друг с другом в плоскости осей конических расточек, а, следовательно, и роторов. Внутри каждой из половин корпуса выполнены выемки, причем выемки в одной из половин корпуса сдвинуты вдоль оси относительно выемок в другой половине. Каждая перегородка выполнена с замкнутой канавкой на боковой поверхности, соединяющей между собой выемки в каждой из половин корпуса.

Для минимизации потерь потока торцевые поверхности секций ротора и поверхности контактирующих с ними перегородок выполнены по сферической поверхности с центром сферы в точке пересечения осей роторов.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. На рисунках представлена конструкция винтовой машины в режиме двигателя - аналога паровой турбины. На фиг. 1 дано сечение винтовой роторной машины плоскостью, проходящей через оси обоих роторов. На фиг. 2 показан разрез по АА, т.е вдоль оси одного из роторов. На фиг. 3 показан вид внутренней поверхности полукорпусов, иллюстрирующий сдвиг выемок в каждом из них. На фиг. 4 представлен общий вид одной из перегородок. На фиг. 5 показан разрез по ВВ (см. фиг. 1) корпуса винтовой машины с установленными в нем перегородками. Фиг. 6 иллюстрирует использование предлагаемого изобретения в качестве паровой (газовой) турбины.

Винтовая роторная машина содержит два конических винтовых ротора 1 и 2, оси которых пересекаются в точке С (см. фиг. 1). Роторы 1 и 2 расположены в конических расточках 3 и 4 корпуса, образованного двумя полукорпусами 5 и 6 (см. фиг. 2 и фиг. 3). На фиг. 1 виден только один полукорпус 5. Ротор 1 разделен на три секции, обозначенные на фиг. 1 как 1.1, 1.2, 1.3. Все три секции ротора 1 посажены на один общий вал 7. Ротор 2 разделен на секции, обозначенные как 2.1, 2.2 и 2.3, и посаженные на вал 8. Секции отделены друг от друга неподвижными перегородками 9 и 10, которые герметично посажены в полукорпусах 5 и 6. Внешний вид перегородки 9 показан на фиг. 4. Перегородка 10 имеет такой же вид, только увеличенного размера, чтобы быть герметично посаженной в конических расточках 3 и 4 полукорпусов 5 и 6. Торцы всех секций роторов контактируют с поверхностью перегородок 9 и 10 с минимальным гарантированным зазором, который позволяет секциям вращаться относительно перегородок 9,10 без заклинивания при минимальных протечках. На прилагаемых фигурах изображен вариант, когда торцевые поверхности 11 секций и сопрягаемые с ними поверхности 12 перегородок выполнены по сфере, с центром в точке С пересечения осей роторов. В принципе, торцевые поверхности секций роторов могут быть плоскими, перпендикулярными осям роторов. Соответственно и сопрягаемые с торцами секций каждого из роторов поверхности перегородок 9 и 10 будут образованы пересекающимися плоскостями.

Корпус снабжен входным 13 и выходным 14 фланцами, в которых валы 7 и 8 установлены на подшипниках 15 и 16. Корпус в области первых секций 1.1 и 2.1 винтовых роторов 1 и 2 имеет входной патрубок 17, а в области последних секций 1.3 и 2.3 - выходной патрубок 18.

Перегородки 9 и 10 герметично посажены в полукорпусах 5 и 6 и на торцевых поверхностях имеют отверстия 19 и 20 (см. фиг. 4) для прохождения валов 7 и 8. Валы 7 и 8 посажены в этих отверстиях, а также во входном 13 и выходном 14 фланцах корпуса с помощью уплотнений подвижных соединений 21, которые позволяют свободно вращаться валам 7 и 8 относительно неподвижных перегородок 9 и 10, при минимальных протечках между ними.

На боковых поверхностях перегородок 9 и 10 выполнены канавки 22 и 23. Полукорпус 5 выполнен с выемками 24 и 25. (см фиг 2 и фиг 3) Цифрой 26 обозначено отверстие в полукорпусе 5 для выходного патрубка 18. Полукорпус 6 имеет на внутренней поверхности выемки 27 и 28, и отверстие 29 для входного патрубка 17. Выемки 24 и 27 в полукорпусах 5 и 6 смещены друг относительно друга таким образом (см фиг. 2 и 3), что позволяют соединить выход первой секции 1.1 через канавку 22 в перегородке 9 со входом второй секции 1.2. Аналогично смещены друг относительно друга выемки 25 и 28 в полукорпусах 5 и 6. За счет смещения они соединяют выход второй секции 2.2 с входом третьей секции 1.3 через канавку 23 в перегородке 10. Выход третьей секции через отверстие 26 соединен с выходным патрубком 18. На фиг. 2 стрелками показано движение среды в паровой турбине.

При использовании предлагаемой винтовой роторной машины в качестве турбины (см. фиг. 6) валы 7 и 8 соединяются с электрогенераторами 30 (на фигуре показан только один из них).

Рассмотрим работу роторной машины на примере двигателя - паровой турбины. Через входной патрубок 17 и входное отверстие 29 пар высокого давления поступает на вход первой секции винтовых конических роторов 1.1 и 2.1. После заполнения паром канавки между зубьями происходит отсечка пара. Пар высокого давления воздействует на поверхность винтовых роторов и создает на них механический крутящий момент. При повороте роторов пар попадает в канавки большего объема, определяемые конусностью роторов. В них пар расширяется, отдавая роторам свою энергию. На выходе первой секции 1.1 и 2.1 роторов установлена перегородка 9, которая препятствует паразитным протечкам пара между витками роторов вдоль оси. За счет герметичной установки перегородки 9 в корпусе уменьшаются протечки между корпусом и роторами 1.1 и 2.1, а уплотнения 21 препятствуют протечкам через отверстия 19 и 20 в первой секции роторов.

На выходе из первой секции остаточный пар поступает в выемку 24 полукорпуса 5 и затем через канавку 22 и выемку 27 в полукорпусе 6 поступает на вход второй секции роторов 1.2 и 2.2. Здесь происходят аналогичные процессы, с преобразованием еще одной порции остаточного давления пара в механический крутящий момент роторов 2.1 и 2.2. Остаточный пар с выхода второй секции роторов через выемку 25 в полукорпусе 5 и через канавку 23 в перегородке 10 поступает в выемку 28 и оттуда на вход третьей секции роторов 1.3 и 2.3. Процессы в третьей секции сопровождаются преобразованием еще одной порции давления пара в крутящий момент секций роторов 1.3 и 2.3. На выходе третьей секции роторов остаточный пар через отверстие 26 в полукорпусе 5 поступает в выходной патрубок 18.

Таким образом, установка перегородок направляет пар, прошедший через зазоры между витками соседних роторов в предыдущей секции на вход последующей секции, предотвращая тем самым потери пара через зазоры между витками роторов в машине в целом. Герметичная установка перегородок в корпусе устраняет протечки между роторами и корпусом. Благодаря устранению протечек между роторами к профилю их зубьев не предъявляются особенные требования, т.е. профиль может быть выполнен таким, который обеспечивает силовое взаимодействие роторов. При этом становятся не нужными шестерни синхронизации, что уменьшает габариты установки и повышает её КПД.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к роторной машине. Роторная машина содержит два конических винтовых ротора с пересекающимися осями. Роторы расположены в конических расточках (3, 4) корпуса. Оси расточек (3, 4) совпадают с осями роторов. Один ротор по длине разделён на секции (1.1, 1.2 и 1.3), другой - на секции (2.1, 2.2 и 2.3). Секции (1.1, 1.2 и 1.3) связаны между собой общим валом (7), секции (2.1, 2.2 и 2.3) - общим валом (8). Секции разделены неподвижными перегородками (9, 10), герметично посаженными в корпусе. Перегородки (9, 10) с торцами секций образуют минимальный зазор, гарантирующий свободное вращение секций. Перегородка (9) выполнена с замкнутой канавкой (22) на боковой поверхности, а перегородка (10) - с канавкой (23). Корпус выполнен из двух половин (5, 6), которые соединены друг с другом в плоскости осей расточек (3, 4), а следовательно, и роторов. Внутри половины (5) выполнены выемки (24, 25), внутри половины (6) - выемки (27, 28). Выемки (24, 25) смещены вдоль оси относительно выемок (27, 28). Изобретение направлено на создание винтовой роторной машины, обладающей минимальными протечками между роторами, между роторами и корпусом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторная машина объемного действия с винтовыми коническими роторами, содержащая два конических винтовых ротора с пересекающимися осями, роторы расположены в конических расточках корпуса, оси которых совпадают с осями роторов, отличающаяся тем, что каждый ротор по длине разделен на секции перегородками, герметично посаженными в корпусе и образующими с торцами роторов минимальный зазор, гарантирующий свободное вращение секций роторов, все секции каждого ротора связаны между собой общим валом, корпус выполнен из двух половин, которые соединены между собой в плоскости осей конических расточек, внутри каждой из половин выполнены выемки, причем выемки в одной половине корпуса сдвинуты вдоль оси относительно выемок в другой половине, а каждая перегородка между секциями выполнена с замкнутой канавкой на боковой поверхности, соединяющей между собой выемки в каждой из половин корпуса.

2. Роторная машина по п.1, отличающаяся тем, что торцевые поверхности роторов и контактирующих с ними перегородок выполнены по сферической поверхности с центром сферы в точке пересечения осей роторов.